基于演化算法的建筑物人员疏散动态模拟系统

韩莹雪

（北方工业大学，北京 100013）

1 引言

虽然高层建筑的出现缓解了城市用地紧张的问题，促进了城镇化的发展，但由于其垂直方向上的建筑高度较大，结构复杂，人员密集，且大部分已建和在建的高层建筑都位于繁华的城市中心地带，一旦发生火灾，人员疏散困难，救援难度较大，将带来极大的人员伤亡和财产损失。而高层建筑火灾造成极大人员伤亡的一个重要原因就是，发生火灾时，缺乏相对有效的人员疏散策略，这主要包括人们对疏散路线的不熟悉，疏散设施的缺陷和疏散方式未得到充分利用等。合理、高效的疏散策略是人们生命安全的重要保障，因此，为提高疏散效率，减少人员伤亡，在有限的时间内疏散尽可能多的人员，对高层建筑火灾情况下的人员疏散策略进行研究具有较强的现实意义。同时，高层建筑内的人员疏散问题也是制约高层建筑发展的重要因素，高层建筑发生火灾时的人员安全疏散问题已成为了一个亟待解决的世界性难题。

2 高层建筑火灾的起因

（1）生活和生产用火不慎。生活用火是最常见的火源，其种类繁多，主要包括炊事用火，照明、取暖用火，节日活动用火和烟火等，这些都与人们的日常生活息息相关，稍有不慎，极易引发高层建筑火灾。生产用火是指高层建筑施工、维护时的用火，主要包括楼地面和屋顶铺防水沥青时的用火和电焊火花等，这些火源温度较高，使用过程中应注意周围环境，避免因使用不当造成高层建筑火灾。

（2）违反生产安全制度。高层建筑的生产安全制度就是指施工过程中应当注意的生产安全制度，各施工环节中易引发高层建筑火灾的是钢筋的切割、焊接过程和板材的切割过程。一方面，切割机在使用过程中，不按时加润滑剂或没有及时清除附着在机器轴承上面的杂物、废料，而使机器这些部位摩擦发热，引起附着物燃烧起火；另一方面，使用电焊焊接钢筋时，没有采取相应的防火措施，也会酿成高层建筑火灾。

（3）电气设备的设计、安装、使用及维护不当。公安部消防局2015年全国火灾情况分析中指出，高层建筑火灾，尤其是较大火灾中有55.9%是由于违反电气安装使用规定引发的。高层建筑中电气设备较多，功率差异较大，不合理的设计容易造成电路故障，引发火灾；将大功率发热电气设备安装在可燃物附近，容易发生火灾；使用私拉乱扯的电线容易引发明火，造成高层建筑火灾；电气设备的维护不当会使线路接头接触不良，易造成电线短路，引发火灾。

（4）自然现象引起。引起高层建筑火灾的自然现象主要有自燃、雷击、静电和地震等。所谓自燃，是指在没有任何明火的情况下，物质受空气氧化或外界温度、湿度的影响，经过较长时间的发热和蓄热，温度达到燃点而发生燃烧的现象。如大量堆积在一起的油布、油纸，因为空气不流通，内部发热久聚不散，温度逐渐升高，发生自燃。雷击引起的高层建筑火灾，一是雷电直接击在建筑物上发生的热效应、机械效应等引起的；二是雷电产生的静电感应和电磁感应引起的；三是高电位沿着电路或金属管道侵入建筑物内部引起的。静电通常是由摩擦、撞击而产生的。因静电引起的火灾事故屡见不鲜，如易燃、可燃液体在塑料管中流动，由于摩擦产生的静电，导致液体燃烧爆炸。发生地震时，因为急于疏散，人们往往来不及切断电源、熄灭炉火等，因而地震发生的同时，经常伴有各种火灾的发生。

（5）纵火。主要包括人员的故意纵火和意识不清情况下的意外纵火。

（6）建筑布局不合理，建筑材料选用不当。在建筑布局方面，防火间距不符合消防安全的要求，没有考虑风向、地势等因素对火灾蔓延的影响，往往会造成发生火灾时火烧连营，形成大面积火灾。在建筑构造、装修方面，大量采用可燃构件和可燃、易燃性装修材料都会大大增加高层建筑发生火灾的可能性。

3 高层建筑火灾楼梯、电梯混合疏散策略

3.1 楼梯、电梯混合疏散策略

显然，高层建筑利用电梯进行人员疏散的最大特点就是运送时间短，而楼梯疏散的安全、可靠性又是其他疏散方式所难以取代的，所以，单独地使用楼梯或电梯并不能达到最好的疏散效果，而必须将这两种疏散方式结合在一起，以追求在最短的时间内疏散尽可能多的人员。因此，在整个疏散过程中，楼梯和电梯都必须得到最充分的利用，最理想的情况是从楼梯中下来的最后一个人与从电梯中下来的最后一个人几乎同时到达出口处。基于这个思路，在已有研究成果的基础上，本文提出了一种新的楼梯、电梯混合疏散方式，它是一种待疏散人员同时利用楼梯、电梯，但不依赖电梯的疏散模式。高层建筑发生火灾时，电梯的运行模式与平时不同，须采用新的停靠规则实现最为有效的疏散，即疏散开始时，人员首先选择楼梯进行疏散，电梯自动计算运行到最高层时，该层尚未疏散的人数是否大于（或等于）电梯额定人数，若大于（或等于）则选择停靠，并根据未疏散人数确定停靠在该层的电梯数量，若小于则不停靠，继续计算运行到下一层时未疏散人数是否大于（或等于）电梯额定人数，直到计算出运行到第二层时，该层的未疏散人数小于电梯额定人数，则电梯停止运行。

3.2 楼梯、电梯疏散时间计算

（1）水平通道疏散时间。楼层水平通道运动时间是指疏散人员通过走廊移动到楼梯间或电梯间的行走时间，它主要由疏散距离和人员行走速度决定，而人员行走速度又受人流密度的影响。

（2）楼梯疏散时间。楼梯疏散模型一般都是基于流体力学模型建立的，就是把人群看成一个连续的，流动的整体，不考虑人与人之间、人与环境之间的相互作用对人员运动的影响。疏散开始时，楼梯上的人流密度相对较小，人群以速度匀速下楼，不受人流密度的影响。当人群运动到下一层时，在楼层平台处与下一层的疏散人群形成汇流，人流密度迅速上升超过某一临界值，然后趋于稳定，此时疏散行动表现为集群流动，具有流体力学的特征。研究资料表明，当疏散通道中人流密度超过3.57人/m2时，会造成疏散中的危险。

（3）电梯疏散时间。一般情况下，电梯从启动到停止，最多经历5种运动状态，依次为匀加速运动、变加速运动、匀速运动、变减速运动和匀减速运动。

4 结束语

近年来，高层建筑火灾频发，对人们的生命、财产安全造成了极大的危害，虽然全国消防部门加大了对高层建筑的防火管理力度，但高层建筑火灾的形势依然严峻，高层建筑火灾人员疏散问题已成为当前研究的一个热点。